CN1211706C - 将图案转移到一个物体上的装置 - Google Patents

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Abstract

将一个微米或纳米结构的图案从印模(1)转移到物体(2)上的装置，它包括带有印模(1)的接受面(13)的第一接触装置(11)和带有物体(2)的接受面(23)的第二接触装置(20)。一个压力装置(10)能够操纵至少一个接触装置(11，20)，使印模(1)与物体(2)相互配合。一个接触装置(11，20)包括一个基础(21)和一个支承件(22)。支承件(22)有一个第一端和一个第二端，第一端形成所述一个接触面(23)，相对的第二端与基础(21)转动连接，使印模(1)与物体(2)相互接触时自动处于相互平行的位置。

Description

将图案转移到一个物体上的装置
技术领域
本发明一般涉及将一个图案从印模转移到一个物体上。本发明还特别涉及微米和纳米结构的制造。
背景技术
一种有前途的制造纳米结构、即大约100纳米或更小结构的技术称为纳米版印术。文献US-A-5772905中描述了这种技术，这里以该文献为参考。在这种版印术中，主要步骤概括示于图1a-1d，一个纳米结构的图案从印模1转移到物体2上。物体2由一个基体2a和一个加在基体上的聚合物材料的薄膜2b(保护层)组成。将薄膜2b加热到适当温度后，将印模1压到薄膜2b上(图1b)。然后在层2b中形成所需深度的凹槽3后将印模从物体2取出(图1c)。随后消除留在凹槽3中的任何薄膜，例如通过腐蚀消除，因此暴露基体2a。在随后的工艺阶段(未示出)，在基体或加在基体上的某种其它材料中重新产生薄膜中的图案。
一种根据上述美国专利进行上述版印工艺的装置包括第一接触装置和接受印模的表面、第二接收装置和接受物体的表面、和一个用于使第一和第二接受面相互接触或连接的压力装置。
加在基体上的薄膜非常薄，一般为50-200纳米。甚至为了均匀地构成物体的结构，印模和物体必须相互平行，其精度为几纳米。工业应用中，物体的直径可以为15-30厘米，这就意味着相互接触表面的最大倾斜角约为10-7rad。印模与物体之间的更大倾斜除了使物体的结构不均匀外，还会导致物体破坏。实际上，基体一般由脆性材料制成，如Si/SiO2、GaAs或InP，并且接触过程中加到基体上的压力较大，一般为4-10MPa。
上述问题的一个可以接受的解决办法是将装置的接受面固定在一个互相完全平行的关系中。但是，这就要求所有物体的两面完全平坦且平行。由于制造的原因，这是不可能的，因此，必须针对每个单个的物体来调整装置。
根据以前提出的解决该问题的办法，在印模或物体接受面安装多个功率或压力传感器。采用一个控制单元在这样测量的压力分布的基础上主动控制接触装置的相互角度位置。但是，这是一种高成本且复杂的方法，这种方法还很难放大到适用于大物体的结构。
发明概述
本发明的一个目的是完全或部分解决现有技术的上述问题。更具体地说，本发明的目的是提供一种简单的装置，将一个图案从印模转移到一个物体上，印模与物体之间具有很高的相互平行度。
本发明的另一个目的是提供一种可以使印模和物体在高压下接触的装置。
本发明的一个特殊的目的是提供一种适于将微米或纳米结构转移到物体的装置。
为此，本发明提出一种将图案从印模转移到物体上的装置，它包括带有印模的接受面的第一接触装置、带有物体的接受面的第二接触装置、和一个压力装置，压力装置用于操纵至少一个接触装置，使印模与物体接触，其特征在于，第一和第二接触装置中的一个包括一个基础和一个支承件，支承件有一个第一端和一个第二端，第一端限定所述一个接触面，相对的第二端与基础转动连接，使印模与物体相互接触时自动处于相互平行的位置。
在本发明的装置中，接受面以及接受在接受面上的印模和物体可以在一个不平行的位置中放在一起。当印模与物体接触时，作用在它们之间的力使一个接受面相对另一个接受面转动，使它们被自动带到一个相互平行的位置。该装置设计简单，并且可以使印模和物体在高压下接触。该装置还可以很容易地放大到构成直径或厚度更大的物体。
根据一个优选实施例，支承件通过相互配合的阴、阳部分与装置体转动连接，阴、阳部分之间形成一个接受一种流体、最好是液压流体的小室。由于流体可以将一定量的惯性传递给支承件的转动运动，这种装置使印模与物体可以平稳地逐渐接触。阴、阳部分之间的小室内的流体还可以吸收接触过程中可能出现的压力突然变化，这也会促进平稳和逐渐接触。该实施例的另一个优点是能够通过一个压力传感器检测小室中建立的压力，该压力可以转换成印模与物体之间实际接触压力的几乎确切的值。在压力传感器检测压力的基础上，压力装置可以产生很好确定的印模与物体之间的压力。
根据另一个优选实施例，阳部分插在阴部分中，使小室在位于阴部分中的阳部分的周围。因此，阴、阳部分之间的机械接触最小。
当印模和物体在接触过程中向相互平行的位置转动时，大量的力作用在物体的周边。在优选实施例中，通过形成一个开口部分的阴部分以及直径等于或小于支承件接受面直径的周边部分而使这些力最小，开口部分与阳部分的外周部分密封接触。
为了达到印模与物体的最佳均匀接触，支承件上的阴、阳部分最好与支承件的接受面同轴。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明及其优点，附图以示例的方式示出本发明的优选实施例。
图1a-1d示出通过现有技术的纳米版印术将一个图案从一个印模转移到一个基体上。
图2是根据本发明第一实施例的装置的基本示意图。
图3a是图2所示支座的放大侧视图，某些内部部分用虚线表示；
图3b是图3a中支座中心平面的剖面图。
图4-7是其它实施例的支座中心平面的剖面图。
具体实施方式
图2是根据本发明第一实施例的装置的示意图。该装置的目的是将一个图案从印模1转移到物体2，该装置包括一个压力机10和一个与压力机配合的支座20。压力机可以是现有技术中的类型，例如液压操作的压力机，压力机有一个活塞件11，活塞件可以在一个确定的方向相对压力机10的固定机体12往返运动。活塞件11在其面向机体12以外方向的一侧有一个用于接受印模1的表面13。
该装置还包括一个支座20，支座20包括一个固定基础21和一个支承件22，支承件面向基础21以外的一侧有一个用于接受物体2的表面23。表面23与要接受的物体2的尺寸基本相同。表面23上有一个用于固定物体2的锁定装置(未示出)。锁定装置可以是任何类型，但是为了自动生产，固定物体时最好使用负压。正如下面将参照图3a-3b更详细描述的，支承件22可以相对基础21转动。
在根据图3a-3b的实施例中，基础21包括一个垂直支撑板24和一个凸起的阴部分25，该部分的形状为一个套筒，因此形成一个凹腔26。支承件22包括一个底板27，它的一侧形成表面23，而另一侧有一个突出轴形状的阳部分28，该部分与接受面23同轴。轴28的远端插入凹腔26中，并与阴部分一起形成一个封闭的小室29。轴28和凹腔26的横截面都为圆形。凹腔26的出口区32处的圆形槽31中有一个O形密封环30。O形环30贴靠轴28的圆形表面，以封闭小室29不与外界空气接触。小室29由低压缩性的液压流体、如车辆制动液来充填。
当印模1压靠物体2时，小室29中产生增加的压力，并且趋于将O形环30压出槽31。为了抵抗这一点，出口区域32有一个与槽31连接的圆形导向凸缘33。为了最大限度地减少流体通过O形环从小室29渗漏，可以根据图7所述的另一个实施例将一个柔性织物38、如橡胶材料的织物密封固定在小室的内壁，因此形成在小室29中形成一个流体限制膜。流体被封闭在膜38与小室29内壁之间空间中，并且吸收来自轴28远端的力，当印模1压靠物体2时，该远端顶靠膜38。如果有图3a-3b所示的O形环，在轴28有很大倾斜的情况下，这将影响轴的远端。由于在该替代实施例中没有O形环，当印模贴靠物体时，力在印模整个表面上的分布将更加均匀。
一个压力传感器34穿过支撑板24中的孔35直接或通过一个隔板(未示出)与小室29中的流体接触。根据图2，压力传感器34与一个控制单元36、如一个计算机连接。控制单元36与压力机10连接，并通过压力控制装置37、如一个泵/阀控制印模1与物体2的接触，泵/阀控制作用在活塞件上的液压压力。
在一个优选实施例中，支承件22包括一个用于加热物体2的加热装置(未示出)。另外，支承件可以有一个冷却回路K形式的冷却装置，一种冷却介质流过冷却回路K(图3a)。这样除了冷却物体2外，还可以使轴28的温度稳定，防止轴的温度变化。
下面参照图2简要描述该装置的操作方式。控制单元36起动压力控制装置37，将活塞件11推向不动的支座20，以便与支座20接触。安装在活塞件11上的印模1通常不与安装在支座上的物体2完全平行。与物体2接触时，印模1与物体2之间的任何倾斜都将自动被它们之间的力消除，力的作用造成支承件22绕位于出口区域32中心的转动点相对基础21转动。小室29中的流体缓冲支承件22在平行过程中的运动，因此使接触能平缓进行。然后，平行的接受面13、23相互贴靠，直到压力传感器34纪录所需的接触压力，此后，控制单元36使压力机锁住活塞件11一个给定的时间。然后，控制单元36起动压力控制装置37，使活塞件11离开支座20，这样，可以将已经形成的物体2从接受表面23拿开。
用图2、3所示的装置已经在制造微米和纳米结构方面取得了令人满意的结果。一个Si/SiO2基体上有一个300纳米厚的950KPMMA薄层。将该物体在180℃下烘烤24小时。然后将物体安装在装置上，随后将PMMA层加热到大约170℃。加热在该温度下结束，并将带有一个图案的印模压到物体上，图案深度为300纳米，压力约为60巴，时间约1分钟。同时将物体冷却到约80℃。这样构成的物体图案深度约为200纳米，并且均匀分布在整个基体上，在该例子中，物体的直径约为5厘米。
图4-6为支座20的不同实施例的示意图，与图2-3相同的部件用相同的标号表示。
图4中，基础21的相互配合的阴、阳部分28、25和支承件22的形状互补，更特殊的是局部为球形。该实施例可以使印模1与物体2产生某种更柔和的接触。
图5中，支承件22的接受面23的直径与开口区域的阳部分28的外周表面的直径基本相同。
图6中，基础21有一个与支承件中的阴部分25′配合的凸起的阳部分28′。
但是，需要强调的是，本发明不限于上述实施例，在所附权利要求的范围内做出某些改变是可行的。例如，在附图中，印模1和物体2可以改变位置。在另一个实施例中，支承件22旋转安装在活塞件11上，而不是安装在支座20的基础21上。根据另一个实施例，支座20向活塞件11移动。在一个可能的实施例中，支承件22也可以通过一个机械连接，而不是上面描述的流体力学连接与基础21转动连接。

Claims (17)

1.将图案从印模(1)转移到物体(2)上的装置，它包括带有印模(1)的接受面(13)的第一接触装置(11)、带有物体(2)的接受面(23)的第二接触装置(20)、和一个压力装置(10)，压力装置用于操纵至少一个接触装置(11，20)，使印模(1)与物体(2)接触，其特征在于，第一和第二接触装置(11，20)中的一个包括一个基础(21)和一个支承件(22)，支承件(22)有一个第一端和一个第二端，第一端限定所述一个接触面(23)，相对的第二端与基础(21)转动连接，使印模(1)与物体(2)相互接触时自动处于相互平行的位置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，支承件(22)通过相互配合的阴部分(25；25′)和阳部分(28；28′)与基础(21)转动连接，阴、阳部分之间形成一个容纳一种液压流体的小室(29)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，阳部分(28；28′)插入到阴部分(25；25′)中，使小室(29)包围位于阴部分(25；25′)中的阳部分(28；28′)。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，小室(29)在支承件(22)的所述相对端形成。
5.如权利要求2-4之一所述的装置，其特征在于，阳部分和阴部分(28，25；28′，25′)中的一个在支承件(22)上，并与支承件(22)的接受面(23)同轴。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，阴部分(25；25′)形成一个与阳部分(28；28′)的外周部分密封接触的开口部分(32)。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，开口部分(32)包括一个柔性材料制成的密封件(30)，该密封件贴靠阳部分(28；28′)的外周部分。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，外周部分为圆形。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，外周部分的直径等于或小于支承件(22)的接受面(23)的直径。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于，阳部分(28)在支承件(22)的相对端形成，而阴部分(25)在基础(21)中形成。
11.如权利要求2所述的装置，其特征在于，阴部分(25′)在支承件(22)的相对端形成，而阳部分(28′)在基础(21)中形成。
12.如权利要求2所述的装置，其特征在于，一个压力传感器(34)用于检测小室(29)中的流体压力。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，压力传感器(34)装在基础(21)中。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，一个控制单元(36)能够在压力传感器(34)所测压力的基础上使压力装置(10)在印模(1)与物体(2)之间建立一个给定的压力。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，支承件(22)包含由一种冷却介质通过的一个冷却回路(K)。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，印模(1)有一个微米或纳米结构的图案。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，物体(2)包括一个基体(2a)和一个加在基体上的聚合物材料层(2b)。
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